豫南砂姜黑土区玉米新型肥料的应用效果分析

刘高远，和爱玲，杜 君，杨占平，潘秀燕，许纪东，张玉亭

（1河南省农业科学院，植物营养与资源环境研究所，郑州 450002；2遂平县农业科学研究所，河南驻马店 463100）

0 引言

化肥是重要的农业生产资料，是粮食的“粮食”。科学施肥是提高农作物产量和增加农民收入的重要手段，也是实现农业可持续发展的关键举措[1]。2013—2019年期间，在国家相关政策正确指导下，中国主要农作物施肥管理由高量化向减量化、低肥效向高肥效及重视产量、环境友好型的方向逐渐转化[2]。随着农业农村部制定的《到2020年化肥使用零增长行动方案》的具体实施，不仅实现了普通化肥施用量出现零、负增长，而且提出了化肥施用量“零增长”下养分高效利用的发展目标，并将新型肥料的推广与应用作为重点发展任务[3-4]。因此，新型肥料品种的应用及评价在指导农业生产过程中占居重要地位。

新型肥料是指利用新方法、新工艺生产的具有复合高效、缓/控释和环境友好型等特征的肥料，区别于传统化学单质肥料和复合肥料及未经深加工的有机肥料[5]。它能够根据作物养分需肥规律控制或延缓养分释放，具有肥效长、损失少、稳定性好的特点。据统计，全球范围内新型肥料的消费量平均每年以高于5%的速度不断增长，新型肥料品种（保水型、稳定性、包膜型缓释肥等）逐渐成为了普通化肥的替代品，且施用面积仍在持续不断地扩大[6-7]。目前，针对不同区域范围内单一新型肥料对作物施用效果及环境效应的研究较多，结果普遍认为：施用新型肥料能够提高作物产量和养分利用率[8]，减少NH3挥发和N2O排放量[9-10]，增加表层土壤硝态氮的累积[11]，改善土壤有机质、全氮等养分状况[3]。然而，受土壤、气候等条件的影响，国内外关于新型肥料促进作物增产增收的观点并不一致。一些研究表明，新型肥料较普通肥料增加了成本，而对作物养分吸收和产量并无明显影响[12-13]。因此，进一步评价新型肥料的应用效果是十分必要的。

砂姜黑土是黄淮海平原农作物主产区三大低产土壤类型之一。其中，河南省砂姜黑土面积约占全国总面积的18%[14]，且多集中在豫南，具有很大的改造潜力。目前，关于施用新型肥料对豫南砂姜黑土区玉米生长与土壤环境影响的研究较少，尤其是缺乏应用效果评价。本研究通过2年的大田试验，分析豫南砂姜黑土区施用新型肥料对玉米产量与养分吸收的影响，并结合土壤硝态氮残留及玉米经济效益，综合评价其应用效果，以期筛选出适合该区域的玉米新型肥料品种。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究于2018和2019年在河南省驻马店市遂平县农业科学研究所(113°97′E,33°15′N)开展。该地区海拔为70 m，年均气温14.9℃，年均降水量972 mm，属暖温带大陆性季风气候。降水主要集中在6—8月，占全年降雨量的70%以上（图1）。玉米生育期内高温、多雨，且易同时发生。该地区土壤类型为石灰性砂姜黑土，0～50 cm土质为黏壤土及壤质黏土，耕层质地粘重，适耕期较短。试验开展前0～20 cm土层基本性质，如下：土壤容重1.58 g/cm3，有机质13.7 g/kg，全氮0.11 g/kg，速效磷8.2 mg/kg，速效钾121.1 mg/kg，pH 6.73。

图1 遂平县30年平均气温和降雨量变化

1.2 试验设计

试验设置为常规尿素(CK)、控释尿素(CRU)及含生物质炭(BU)、微肥(MU)、腐植酸(HAU)的尿素，共5个处理，3次重复，15个小区。小区面积为6 m×5 m=30 m2，完全随机排列。新型肥料处理中，CRU为加入硝化抑制剂（正丁基硫代磷酸三胺，用量为纯氮含量的1%）的稳定性尿素，BU和HAU为玉米秸秆炭（500℃下裂解，含量≤8%）和腐植酸（含量≤5%）包衣尿素，MU为Zn、Fe等微量元素（含量≤1%）与尿素制备成的多元微肥尿素络合肥。各处理养分投入量相等：N、P2O5和K2O用量分别为225、45和45 kg/hm2。于6月上旬进行播种，种肥同播，肥料作为基肥施入，无追肥。供试玉米品种为‘郑单1002’，株行距为28 cm×60 cm，栽培密度为67500株/hm2，收获期为9月下旬。灌水、施药等管理措施同当地农户相一致。

1.3 样品采集

收获期，各小区随机采集10株样品，晾晒至子粒含水量达12%时，进行考种。项目包括：穗长、穗粗、穗粒数和百粒重。考种后的秸秆和子粒，烘干、粉碎，分析养分含量。同时，各小区子粒和秸秆全部人工收获，子粒含水量降至12%、秸秆含水量低于10%时，分别记产。收获后，各小区随机选取3个点，用土钻分别采集0～20、20～40、40～60 cm土层样品，同小区同层土样混匀，立即装入自封袋内，带回实验室-20℃冷冻保存，于7天内分析硝态氮含量。

1.4 样品分析

产量及产量构成因素：每公顷产量通过小区实际产量折算。采用游标卡尺测量穗长(cm)和穗粗(cm)；根据穗行数、单行粒数，计算穗粒数；利用电子天平（精确至0.0001）称量百粒重(g)。

植株养分吸收量：子粒和秸秆样品分别于105℃下杀青30 min，85℃下烘干至恒重，粉碎、混匀，通过浓H2SO4-H2O2消解，制备消解液。采用连续流动自动分析仪法测定消解液中氮浓度[15]，采用钼蓝比色法和火焰光度计法测定磷和钾浓度[16]。植株氮（磷、钾）吸收量计算公式，如式(1)所示。

经济效益：通过净收入和产投比进行评价不同新型肥料品种的经济效益[17]。总产出计算方式，如式(2)所示。

式中，2018和2019年玉米单价分别为1.6和1.7元/kg。

总投入(元/hm2)为肥料和其他投入（种子、农药、播种与收获、人工等）费用之和。

1.5 数据处理与分析

通过Excel 2003进行数据整理与绘图。采用SPSS 22.0统计分析软件，通过单因素方差分析法(One-way ANOVA)和Duncan法进行数据之间的方差分析与多重比较，显著性假设为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 施用新型肥料对玉米产量及产量构成因素的影响

由表1可以看出，施用新型肥料较CK一定程度上提高了玉米产量，2018产量增幅在1.3%～10.2%之间，2019年产量增幅在4.1%～12.2%之间，年均产量增幅在2.7%～10.9%之间。新型肥料处理中，年均产量以HAU增幅最高，增幅为10.9%，差异显著；同时，HAU穗粒数较CK提高了9.7%、百粒重较CK提高了9.2%，差异显著。CRU具有一定的增产效果，但并不稳定：2018年产量较CK变化不明显，而2019年产量、穗粒数和百粒重较CK显著提高了12.2%、9.4%和8.9%。BU和MU产量与CK之间差异均未达到显著水平。

表1 不同新型肥料品种下玉米产量及产量构成因素的表现

2.2 施用新型肥料对玉米植株养分吸收的影响

由图2、3所示，2018和2019年施用不同新型肥料对玉米植株氮、磷和钾吸收量的影响。结果表明，施用新型肥料较CK明显提高了玉米植株氮、磷和钾吸收量，年均植株氮、磷和钾吸收量增幅分别为6.4%～20.6%、5.1%～27.5%和11.2%～18.7%。新型肥料处理中，HAU年均植株氮和磷吸收量分别较CK提高了20.6%（2018和2019年增幅分别为22.7%和18.4%）和27.5%（2018和2019年增幅分别为24.3%和30.7%），差异显著；而其他处理年均植株氮、磷吸收量与CK之间均无显著性差异。不同处理年均植株钾吸收量在116.8～138.4 kg/hm2之间，尽管施用新型肥料较CK提高了植株钾吸收量，但差异均未达到差异水平。

图2 2018年不同新型肥料品种下玉米植株养分吸收量的变化

图3 2019年不同新型肥料品种下玉米植株养分吸收量的变化

2.3 不同新型肥料品种下玉米土壤硝态氮含量变化

由图4和图5可以看出，2018和2019年不同处理0～60 cm土层硝态氮含量随着土层深度增加呈现下降趋势，同时，施用新型肥料较CK一定程度上降低了0～60 cm土层硝态氮含量。新型肥料处理中，HAU较CK显著降低了0～40 cm土层硝态氮含量，其中，0～20 cm土层降幅为26.4%（2018和2019年降幅分别为27.5%和25.2%），20～40 cm土层降幅为32.4%（2018和2019年降幅分别为29.4%和35.3%），但40～60 cm土层硝态氮含量较CK无显著性变化；CRU土壤硝态氮含量受年份影响较大，例如，2018年0～60 cm土层硝态氮与CK之间无显著性差异，但2019年0～20 cm和20～40 cm土层硝态氮含量分别较CK显著提高了29.3%和22.5%；与CK相比，尽管BU和MU均降低了0～60 cm土层硝态氮含量，但差异并不显著。

图4 2018年不同新型肥料品种下0～60 cm土层硝态氮含量的变化

图5 2019年不同新型肥料品种下0～60 cm土层硝态氮含量的变化

2.4 不同新型肥料品种下玉米经济效益评价

本试验根据2年平均玉米产量变化，结合当年玉米单价，分析了不同处理下种植玉米的净收入及产投比，其结果（表2）表明：与CK相比，施用新型肥料增加了玉米经济效益，增收110.6～877.6元/hm2，增幅为1.7%～13.5%，其中，以HAU增幅(13.5%)最高，其次分别为CRU(7.8%)、MU(5.2%)和BU(1.7%)。各处理的产投比由高至低依次为HAU(2.14)＞CRU(2.05)＞MU(2.04)≈CK(2.04)＞BU(2.03)。总体结果来看，HAU较其他处理具有更高的增收潜力。

表2 不同新型肥料品种下玉米经济效益的变化

3 结论

本研究参试的4种玉米新型肥料均提高了玉米产量，增幅为2.7%～10.9%，其中，以施用含腐植酸尿素处理下产量最高，增幅为10.9%。与常规尿素相比，施用含腐植酸尿素能够提高玉米穗粒数与百粒重，促进植株氮和磷吸收，降低0～40 cm土层硝态氮残留，而其他处理对以上指标影响相对较弱或年际间变化不稳定。同时，施用含腐植酸尿素较常规尿素明显提高了玉米经济效益。因此，在豫南砂姜黑土区施用含腐植酸尿素能够促进玉米增产增收及降低土壤硝酸盐污染，具有较为广阔的应用前景。

4 讨论

施用新型肥料在促进作物生长、养分吸收及增产方面具有重要作用[18]。本研究中，施用含腐植酸尿素较常规尿素玉米产量提高了10.9%，同时，增加了穗粒数与百粒重、提高了植株氮和磷的吸收量。该结果一方面是由于腐植酸减缓了养分释放速率，从而提高了养分利用效率[19]；另一方面，腐植酸被作物吸收后，不仅能够提高叶片光合作用，而且能够增强抗逆性[20]。施用缓/控释肥料对作物产量的影响与当年气象因子变化（温度、降水、光照时数等）相关[21-22]。任宁等[23]研究发现，施用缓/控释肥料下干旱年份玉米干物质累积量较常规年份降低了16.8%～52.6%，同时，氮素累积量降低了17.2%～65.9%。本研究发现，施用控释尿素增加了玉米产量和养分吸收量，但效果不稳定。该结果可能与豫南年际间玉米生育期内降水、温度等气象因子变化不稳定有关[24]，例如，2019年玉米生育期内平均最高温度(37.3℃)较2018年(35.9℃)增加了1.4℃，平均降雨量(626.8 mm)较2018年(302.0 mm)降低了324.8 mm[25]。本研究中，施用含生物质炭尿素并未对产量造成影响。然而，有研究表明，施用炭基肥料明显提高作物产量及改善农艺性状[26,27]。究其原因，一方面是由于生物质炭施用量、土壤性质和气候条件的差异；另一方面是由于生物质炭改良土壤性质存在长期效应[28]。刘红恩等[29]研究发现，施用含微肥尿素一定程度上提高了玉米产量，增幅在5%左右，本研究结果与其结论基本一致。

本研究发现，施用含腐植酸尿素较常规尿素明显降低了0～40 cm土壤硝态氮含量。其主要原因是，与其他新型肥料相比，腐植酸作为外源有机物加入尿素，不仅能够提高土壤有机质[30]，而且能够激发土壤酶活性、活化表层土壤养分[20]，从而促进尿素及其他养分被作物进一步高效吸收[31]。目前，关于外源添加生物质炭对土壤硝态氮淋溶影响的研究结果并不一致。陈心想等[32]研究发现，生物质炭施用量达到80 t/hm2时，能够减少土壤硝态氮淋溶，而施用量降至20～60 t/hm2时，其效果明显降低或无效果。然而，Xu等[33]研究发现，当生物质炭施用量为40～160 t/hm2时，均能显著降低土壤硝态氮淋溶。本研究中，施用含生物质炭尿素与常规尿素土壤硝态氮变化基本一致，也就是说，施用含生物质炭尿素并未对土壤硝态氮造成显著影响。这一结果可能是由于生物质炭吸附效果与其原材料和施用量有关，同时，其吸附效果还受土壤类型、土壤酸碱度等因素的影响，如何通过技术手段提高农田生物质炭的吸附与固持能力仍需要进一步研究。

合理评价某项田间管理措施在农业生产中的实际应用价值，不仅要考虑到作物增产效果、土壤环境问题，而且要考虑到实施过程中经济效益最大化。本研究中，施用含腐植酸尿素具有较高的净收入及产投比，其次是控释尿素，而施用含微肥尿素产投比低于常规尿素。该结果表明，4种玉米新型肥料中，施用含腐植酸尿素在豫南砂姜黑土区具有更高的经济效益。